专利名称：模拟口腔环境的恒温水浴循环装置及利用该装置测试应力的方法
技术领域：
本发明涉及一种模拟口腔环境条件下研究热塑性材料的应力松弛性能的装置，特别是涉及一种恒温水浴循环装置。
背景技术：
无托槽隐形矫治技术是近年来兴起的一种新型正畸矫治技术，因其美观、舒适、安全和卫生而受到众多患者的青睐。不同于传统的固定矫治技术，矫治力主要来源于热塑性材料变形后的回弹力。因此，制作矫治器的热塑性材料的力学性能是影响矫治器治疗效果的最根本因素。在实际临床使用过程中，矫治器往往是长期受力的，且热塑性材料的力学性能有很强的时间依赖性。因此对其长期负载表现出来的力学性能，即应力松弛和蠕变回复等的研究非常重要。而矫治器的工作环境是口腔环境，口腔环境十分复杂，会影响热塑性材料的性能，因此，对于矫治器材料性能的研究应当在模拟口腔环境中进行。参见文 ■ “The mechanical properties of dental thermoplastic materials in a simulated intraoral environment" ((Orthodontic waves, 2006 年，第 65 卷，p64_72〉〉。通常使用商用材料测试机(如BOSE生物材料动态力学试验机ELF3100)对材料开展应力松弛性能研究，如Bose BioDynamic系统。该系统在无菌的细胞介质环境中对生物材料及组织工程样品进行实时精确的物性测量，具有精确的生物力学刺激加载能力及模拟生理环境的能力。此系统可以用来培养并评价各种样本包括生物材料、细胞种植与非细胞支架、自然组织和组织工程产品。BioDynamic系统可以仿真在体环境进行组织培养或三维样本测试。BioDynamic系统可程序化控制试样力学加载和媒体循环。每个培养舱具有独立的封闭媒体循环系统，避免污染。此系统适合组织构建、生物材料性能、支架工程以及生物兼容性评估，也可以进行各种环境下的长期实验研究。材料物性分析为新生物材料和组织工程产品的特性研究提供重要的基准和手段，应用领域包括血管组织和组织工程化心肌补片的特性测量，骨、软骨、半月板、韧带、肌腱和椎间盘组织等相关研究。但是，BioDynamic系统的测试过程比较复杂，而且成本非常高昂，使得矫正器材料的研发成本也高。而且，目前在模拟口腔环境中开展材料的应力松弛性能非常困难，其主要原因是国内还没有专门用于在模拟口腔环境中进行材料性能研究的测试机。
发明内容
为了实现利用商用材料测试机对材料开展模拟口腔环境中的应力松弛性能研究， 本发明的目的是将标准试样加载一个局部的恒温浴环境，模拟口腔的温度和湿度，对材料进行应力松弛性能测定。本发明提供了一种水浴杯，所述水浴杯包括杯体，上进水口，下出水口，杯盖，位于杯盖上的圆孔，其特征在于，所述杯盖上还具有条形开口，所述杯体的下底面具有条形开口，当测试时，测试试样穿过所述条形开口和所述条形开口并被测试机的夹具夹住两端，所述水浴杯加入恒温水模拟口腔环境，用于测试材料的应カ松弛性能。根据本发明所述的水浴杯，其特征在干，所述水浴杯的高度大于试样的标距长度且小于夹具间的初始距离。根据本发明所述的水浴杯，其特征在于，插入试样后，所述水浴杯下底面的条形切 ロ通过玻璃胶和封ロ膜密封以防渗水。根据本发明所述的水浴杯，所述水浴杯中的水温为37°C 士0. 5°C。根据本发明所述的水浴杯，所述水浴杯中的液面高度控制在水浴杯入水ロ的上沿和水浴杯杯盖之间。根据本发明所述的水浴杯，所述试样的标线间部分完全没于恒温水浴环境中。根据本发明所述的水浴杯，所述水浴杯中的水为蒸馏水。根据本发明的ー种包括本发明所述水浴杯的装置，所述装置还包括固定所述水浴杯的固定装置，恒温水浴箱，动カ装置、以及将这些部件连接起来的管，所述动カ装置将所述恒温水浴箱中的水送入水浴杯的上进水ロ，所述下出水ロ将水浴杯中的水排回所述恒温水浴箱，其特征在干，当测试时，测试试样穿过所述水浴杯的所述条形开口和所述条形开ロ 并被测试机的夹具夹住两端，所述水浴杯流入恒温水模拟口腔环境，用于测试材料的应カ 松弛性能。根据本发明所述的装置，其特征在干，所述动カ装置是蠕动泵。根据本发明所述的装置，其特征在干，在所述水浴杯的下出水口上设置有一个阀， 用于控制水浴杯中水流出的速度。根据本发明所述的装置，其特征在干，所述装置还包括温度计，通过杯盖上的圆孔放入所述水浴杯中。根据本发明的ー种利用本发明所述的装置测试材料的应カ松弛性能的方法，所述方法包括如下步骤-将测试试样插入水浴杯中；-将水浴杯底面的条形开ロ密封；-运行动力装置将水注入水浴杯中；-调节下出水口上的阀控制水浴杯中的水位；-根据温度计指示调整水浴杯中水的温度；-当水浴杯中的水达到预定温度后，利用测试机测试所示试样的应カ松弛性能。根据本发明所述的方法，其中，所述动カ装置是动カ泵。根据本发明所述的装置，其中，所述管的材料选自由橡胶、玻璃、塑料、組成的組。根据本发明所述的水浴杯，其中，所述杯体的材料选自由玻璃、塑料、陶瓷组成的組。本发明通过控制恒温水浴箱中蒸馏水的温度、蠕动泵的转速、进出水的流速来控制水浴杯中蒸馏水的温度和液面高度，在离体状态下建立了模拟口腔环境(温度和湿度等)，从而实现了在商品化的材料测试机上对口腔正崎用热塑性材料进行模拟口腔环境下的应カ松弛性能研究。该装置结构简単，成本低廉，使用方便，为研究材料的应カ松弛性能提供了优质设备。
图1为根据本发明的实施例的恒温水浴循环装置的示意图。图2为根据本发明的实施例的加载试样的玻璃水浴杯示意图。图3为根据本发明的实施例的5型标准试样的示意图。图4为根据本发明的实施例的IB型标准试样的示意图。图5为根据本发明的实施例的4型标准试样的示意图。
具体实施例方式为了更好地理解本发明及其优点，现在将结合附图和实施例对本发明的装置进行示例性的详细说明，其中参考图1和图2，示出了本发明的加载试样的恒温水浴杯和恒温水浴循环装置。所述水浴杯包括杯体1，上进水口 2，下出水口 3，杯盖4，位于杯盖4上的圆孔5，所述杯盖4上还具有条形开口 6，所述杯体1的下底面具有条形开口 7 (未示出)，杯盖4的条形开口和圆孔5均较插入的部件，即试样和温度计的尺寸略大。当测试时，测试试样穿过所述条形开口 6和所述条形开口 7并被测试机的夹具夹住两端，所述水浴杯加入恒温水模拟口腔环境，测试机夹住测试式样，下端夹具固定不动，上端夹具向上拉伸，来测试材料的应力松弛性能。本发明的恒温水浴循环装置包括玻璃水浴杯、温度计、铁架台8，恒温水浴箱10、 蠕动泵11以及管12。玻璃水浴杯具有位于上部的开口朝上的入水口 2和位于下部的开口朝下的出水口 3，其底面有用于穿过试件的窄条形开口 7，其顶面开放，有杯盖4，杯盖4上有用于穿过试件的条形开口 6以及用于穿过温度计的圆孔5。用玻璃胶将玻璃水浴杯1下底面的条形切口 7密封，干燥4 后用锋利的刀片在玻璃胶正中切出长约25mm的裂缝(与试样夹持部分的宽度相等)，将试样轻轻穿过裂缝，在玻璃水浴杯1的上、下边沿充分暴露待被加持的试样部分，然后用Parafilm M封口膜密封试样与裂缝之间的间隙以防渗水。玻璃水浴杯1固定在铁架台8上，并在其中插入试样。恒温水浴箱10中预热的蒸馏水通过橡皮管12从恒温水浴箱10的一端经蠕动泵11泵出，从玻璃入水口注入水浴杯1， 再由出水口流出，通过管12从恒温水浴箱10的另一端重新循环回箱内。温度计用于检测水浴杯1中蒸馏水的温度。试验中，通过调节蠕动泵11的转速和出水口阀9的开合大小来控制水的流速和水浴杯中液面高度，同时通过调节恒温水浴箱10的水温使水浴杯中水温保持在既定温度。当室温处于25°C时，调节恒温水浴箱水温至38°C 士0. 5°C，调节蠕动泵6和出水口阀9，使水的流入速度和流出速度相等，从而在试样周围模拟口腔环境，实现在相对简单的材料测试机上对热塑性材料进行模拟口腔环境下的应力松弛性能研究。实例 1玻璃水浴杯1的尺寸设计根据所用试样的不同而不同。参考图3，以5型标准试样为例，夹具间的初始距离(L)为80mm，标距长度(Ltl)为25mm，为使试样的标距间部分完全浸没于水浴中，且水浴杯1不应妨碍对试样的加持，因此设计水浴杯1的高度为75mm，入水口 2上沿与水浴杯1上沿、以及出水口 3下沿与水浴杯1下沿的距离均为10mm，进水口 2与出水ロ 3的直径为8mm ；试样的端部宽度(b2)为25mm，厚度(h)为1mm，水浴杯1底面直径设计为50mm;下底面以及杯盖上用于穿过试样的条形裂ロ尺寸设计为27mmX2mm，略大于试样横截面的尺寸，这样的设计便于玻璃胶对试样的弹性夹持以防渗水，同时也避免了测试过程中，杯盖4的条形开ロ 6与试样之间的摩擦导致的误差，杯盖4上用于穿过温度计的圆孔5直径设计为8mm，略大于温度计的直径，用玻璃杯盖4盖住水浴杯1，以减缓水浴中水的蒸发以及外部冷空气和水接触所引起的温度偏差，同时减小对测试机部件的腐蚀。装置的管12中水的流速大约为^ml/min，可使水浴杯中水温恒定在37°C 士0. 5°C，液面高度为70mm。在相对简单的材料测试机上对热塑性材料进行模拟口腔环境下的应カ松弛性能研九。实例2參考图4，以IB型试样为例，夹具间的初始距离(L)为115mm，标距长度(Ltl)为 50mm，为使试样的标距间部分完全浸没于水浴中，且水浴杯1不应妨碍对试样的加持，因此设计水浴杯1的高度为110mm，入水ロ 2上沿与水浴杯1上沿、以及出水ロ 3下沿与水浴杯 1下沿的距离均为10mm，进水口 2与出水ロ 3的直径为8mm ；试样的端部宽度(b2)为20mm， 厚度(h)为1mm，水浴杯1底面直径设计为50mm ；下底面以及杯盖上用于穿过试样的条形裂 ロ尺寸设计为22mmX 2mm，略大于试样横截面的尺寸，这样的设计便于玻璃胶对试样的弹性夹持以防渗水，同时也避免了测试过程中，杯盖4的条形开ロ 6与试样之间的摩擦导致的误差，杯盖4上用于穿过温度计的圆孔5直径设计为8mm，略大于温度计的直径，用玻璃杯盖4 盖住水浴杯1，以减缓水浴中水的蒸发以及外部冷空气和水接触所引起的温度偏差，同时减小对测试机部件的腐蚀。装置的管12中水的流速大约为^ml/min，可使水浴杯中水温恒定在37°C 士0. 5°C，液面高度为105mm。在相对简单的材料测试机上对热塑性材料进行模拟ロ 腔环境下的应カ松弛性能研究。实例3參考图5，以4型试样为例，夹具间的初始距离(L)为98mm，标距长度(Ltl)为50mm， 为使试样的标距间部分完全浸没于水浴中，且水浴杯1不应妨碍对试样的加持，因此设计水浴杯1的高度为90mm，入水ロ 2上沿与水浴杯1上沿、以及出水ロ 3下沿与水浴杯1下沿的距离均为10mm，进水口 2与出水ロ 3的直径为8mm ；试样的端部宽度(b2)为38mm，厚度 (h)为1mm，水浴杯1底面直径设计为60mm ；下底面以及杯盖上用于穿过试样的条形裂ロ尺寸设计为40mmX 2mm，略大于试样横截面的尺寸，这样的设计便于玻璃胶对试样的弹性夹持以防渗水，同时也避免了测试过程中，杯盖4的条形开ロ 6与试样之间的摩擦导致的误差， 杯盖4上用于穿过温度计的圆孔5直径设计为8mm，略大于温度计的直径，用玻璃杯盖4盖住水浴杯1，以减缓水浴中水的蒸发以及外部冷空气和水接触所引起的温度偏差，同时减小对测试机部件的腐蚀。装置的管12中水的流速大约为^ml/min，可使水浴杯中水温恒定在 370C 士0.5°C，液面高度为85mm。在相对简单的材料测试机上对热塑性材料进行模拟口腔环境下的应カ松弛性能研究。以上详细描述了示例性实施例。然而很明显在不背离本公开的宽泛主旨和范围的情况下，可以做各种改变。因此，说明书和附图是为了说明而不用于限定。
权利要求
1.ー种水浴杯，所述水浴杯包括杯体(1)，上进水口 O)，下出水ロ(3)，杯盖0)，位于杯盖⑷上的圆孔(5)，其特征在干，所述杯盖(4)上还具有条形开ロ(6)，所述杯体⑴的下底面具有条形开ロ(7)，当测试时，测试试样穿过所述条形开ロ(6)和所述条形开ロ(7) 并被测试机的夹具夹住两端，所述水浴杯加入恒温水模拟口腔环境，用于测试材料的应カ 松弛性能。
2.根据权利要求1所述的水浴杯，其特征在干，所述水浴杯的高度大于试样的标距长度且小于夹具间的初始距离。
3.根据权利要求1所述的水浴杯，其特征在于，插入试样后，所述水浴杯下底面的条形切ロ(7)通过玻璃胶和封ロ膜密封以防渗水。
4.根据权利要求1所述的水浴杯，所述水浴杯中的水温为37°C士0. 5°C。
5.根据权利要求1所述的水浴杯，所述水浴杯中的液面高度控制在水浴杯入水ロ(2) 的上沿和水浴杯杯盖(4)之间。
6.根据权利要求1所述的水浴杯，所述试样的标线间部分完全没于恒温水浴环境中。
7.根据权利要求1所述的水浴杯，所述水浴杯中的水为蒸馏水。
8.ー种包括权利要求1所述水浴杯的装置，所述装置还包括固定所述水浴杯的固定装置(8)，恒温水浴箱(10)，动カ装置(11)、以及将这些部件连接起来的管(12)，所述动カ装置(11)将所述恒温水浴箱(10)中的水送入水浴杯的上进水口 O)，所述下出水ロ( 将水浴杯中的水排回所述恒温水浴箱(10)，其特征在干，当测试时，测试试样穿过所述水浴杯的所述条形开ロ(6)和所述条形开ロ(7)并被测试机的夹具夹住两端，所述水浴杯流入恒温水模拟口腔环境，用于测试材料的应カ松弛性能。
9.根据权利要求8所述的装置，其特征在干，所述动カ装置(11)是蠕动泵。
10.根据权利要求8所述的装置，其特征在干，在所述水浴杯的下出水ロ( 上设置有 ー个阀(9)，用于控制水浴杯中水流出的速度。
11.根据权利要求8所述的装置，其特征在干，所述装置还包括温度计，通过杯盖(4)上的圆孔( 放入所述水浴杯中。
12.ー种利用权利要求8所述的装置测试材料的应カ松弛性能的方法，所述方法包括如下步骤-将水浴杯底面的条形开ロ(7)密封，干燥后割开ー个与测试试样等宽的裂縫；-将测试试样插入水浴杯中，并穿过所述裂縫，密封试样与裂缝之间的空隙；-运行动力装置(11)将水注入水浴杯中；-调节下出水ロ(3)上的阀(9)控制水浴杯中的水位；-根据温度计指示调整水浴杯中水的温度；-当水浴杯中的水达到预定温度后，利用测试机测试所示试样的应カ松弛性能。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述动カ装置(11)是动カ泵。
全文摘要
一种水浴杯和使用该水浴杯的装置，所述水浴杯包括杯体(1)，上进水口(2)，下出水口(3)，杯盖(4)，位于杯盖(4)上的圆孔(5)，其特征在于，所述杯盖(4)上还具有条形开口(6)，所述杯体(1)的下底面具有条形开口(7)。所述装置还包括固定所述水浴杯的固定装置(8)，恒温水浴箱(10)，动力装置(11)、以及将这些部件连接起来的管(12)，所述动力装置(11)将所述恒温水浴箱(10)中的水送入水浴杯的上进水口(2)，所述下出水口(3)将水浴杯中的水排回所述恒温水浴箱(10)。当测试时，测试试样穿过所述条形开口(6)和所述条形开口(7)并被测试机的夹具夹住两端，所述水浴杯加入恒温水模拟口腔环境，用于测试材料的应力松弛性能。
文档编号G01N3/00GK102564846SQ20101061212
公开日2012年7月11日 申请日期2010年12月22日 优先权日2010年12月22日
发明者任超超, 方东煜, 白玉兴 申请人:首都医科大学附属北京口腔医院